Rückwärtsantrieb der vertikalen Linearachse Dieses Problem tritt auf, wenn die Schwerkraft die Achse nach unten drückt, nachdem der Motor kein Haltemoment mehr erzeugt. Dieses Risiko besteht häufig bei Kugelgewindetrieben und Linearmotoren, da deren reibungsarme Kraftübertragung eine Bewegung der hängenden Last ermöglicht.
Eine zuverlässige Absturzsicherung erfordert mehr als nur einen größeren Motor. Sie muss die Last bei normalem Abschalten, Notstopp, Stromausfall, Bremsverzögerung und möglichem Getriebeausfall kontrollieren. Ingenieure kombinieren üblicherweise eine stromlose Bremse mit präziser Ansteuerung, einem Gegengewicht oder einer unabhängigen mechanischen Verriegelung.
Das Haltemoment des Servos kann eine vertikale Last halten, solange der Antrieb mit Strom versorgt wird. Es kann jedoch keine Haltevorrichtung ersetzen, die nach einem Stromausfall oder einer Antriebsstörung funktioniert.
1. Warum kommt es zu Rückwärtsbewegungen vertikaler Linearachsen?
Der Rückantrieb der vertikalen Linearachse beginnt, sobald die nach unten gerichtete Kraft der bewegten Masse ein ausreichendes Drehmoment erzeugt, um das Getriebe zu drehen. Zur bewegten Masse gehören der Schlitten, die Vorrichtung, das Werkstück, die Kabel, die Werkzeuge, die Halterungen und alle anderen Komponenten, die sich mit der Achse bewegen.
1.1 Wodurch wird die nach unten gerichtete Kraft erzeugt?
Eine Kugelumlaufspindel wandelt Drehbewegung reibungsarm in lineare Bewegung um. Diese Effizienz verbessert Geschwindigkeit und Positionierung und ermöglicht zudem den Betrieb des Getriebes in umgekehrter Richtung. Sobald das Motordrehmoment nachlässt, kann die hängende Masse die Mutter nach unten drücken und die Spindel drehen.
Mehrere Faktoren beeinflussen den Schweregrad der Bewegung:
- Gesamte bewegte Masse
- Kugelgewindetrieb
- Umkehrwirkungsgrad der Schraube
- Gegengewichtskraft
- Bremseingriffszeit
- Übersetzungsverhältnis von Getriebe, Riemen oder Riemenscheibe
- Kopplung und Rahmensteifigkeit
- Nutzlastposition und Momentlast
Eine größere Gewindesteigung erzeugt in der Regel ein höheres Rückdrehmoment bei gleicher Axiallast. Ein hoher Wirkungsgrad der Kraftübertragung ermöglicht es zudem, mehr Kraft auf die Gewindewelle zurückzuleiten.
1.2 Ist die Bewegung wirklich rückwärtsgerichtet?
Nicht jede Abwärtsbewegung resultiert aus einer kontinuierlichen Rückwärtsbewegung. Beobachten Sie zunächst, wann die Bewegung beginnt, wie weit sich die Achse bewegt und ob die Bewegung anhält.
| Beobachtete Bewegung | Höchstwahrscheinliche Ursache | Erste Überprüfung |
|---|---|---|
| Kontinuierliche Bewegung nach Stromausfall | Rücklauf der Kugelgewindespindel oder unzureichendes Bremsmoment | Berechnen Sie das reflektierte Lastmoment |
| Kurzer Abfall, bevor die Achse stoppt | Bremsverzögerung oder mechanische Nachgiebigkeit | Bremszeitpunkt prüfen |
| Bewegung bei Richtungsumkehr | Spiel, Kupplungsspiel oder Rahmenverformung | Überprüfen Sie den mechanischen Lastpfad |
| Ungleichmäßige Abwärtsbewegung | Fehlausrichtung, Verunreinigung oder beschädigte Bauteile | Überprüfen Sie die Ausrichtung der Führung und den Zustand der Schraube. |
| Im leeren Zustand stabil, im beladenen Zustand jedoch instabil. | Unzureichende Brems- oder Gegengewichtskapazität | Test bei maximaler bewegter Masse |
Eine Erhöhung der Vorspannung der Linearführung kann eine zu kleine Bremse nicht korrigieren. Ebenso wenig kann eine Servoeinstellung nach einem vollständigen Stromausfall ein ausfallsicheres Halten gewährleisten.
Die Laufwerksarchitektur verändert auch das Risiko. Überprüfen Sie die Abwägungen zwischen Linearmotoren und Kugelgewindetrieben in der Vertikalachse wenn im Projekt noch nicht der Getriebetyp festgelegt wurde.
2. Welche Anti-Tropfen-Methode sollte ich anwenden?
Die beste Methode zur Verhinderung von Abstürzen hängt von Nutzlast, Geschwindigkeit, Hub, Getriebeauslegung, Betriebszyklus und den Folgen unkontrollierter Bewegungen ab. Die meisten Maschinen benötigen entweder eine stromlose Bremse oder eine Kombination aus Bremse, Gegengewicht und lastseitiger Sicherung.
2.1 Federbetätigte Bremse bei Stromausfall
Eine federbetätigte, elektrisch gelöste Bremse hält die Motorwelle bei Stromausfall. Im Normalbetrieb wird die Bremse durch Strom gelöst, während interne Federn bei Abschaltung oder Störung die Haltekraft aufrechterhalten.
Ingenieure sollten diese Bremse hauptsächlich zum Halten einer stationären Last verwenden. Der Servoantrieb sollte die bewegliche Achse normalerweise vor dem Bremsvorgang abbremsen. Häufige dynamische Stopps können den Bremsverschleiß erhöhen und die Ansprechzeit verändern.
Mitsubishi Electric weist außerdem darauf hin, dass eine Motorbremse die Motorwelle hält und nicht als normale Betriebsbremse dienen sollte. In den Richtlinien wird eine externe Haltemethode empfohlen, wenn die Maschinenstruktur oder das Ausfallrisiko zusätzlichen Schutz erfordert. Servomotor-elektromagnetische Bremsführung.
2.2 Gegengewichtsystem
Ein pneumatischer Zylinder, eine Gasfeder, ein Gegengewicht oder eine Vorrichtung mit konstanter Kraft kompensiert einen Teil der Schwerkraft. Dadurch wirken weniger Kräfte auf Motor und Bremse ein.
Ein geeignetes Gegengewicht kann:
- Reduziere das Motordrehmoment während der Aufwärtsbewegung
- Reduzieren Sie das Drehmoment, das zum Rückwärtsfahren führt.
- Geringere Bremshalteanforderung
- Reduzierung der Motorwärme und des Energieverbrauchs
- Bewegungsfreiheit bei Stromausfall einschränken
Das Gegengewicht muss jedoch für den gesamten Hub- und Nutzlastbereich geeignet sein. Zu viel Kraft kann die leere Achse nach oben ziehen, während zu wenig Kraft bei maximaler Last nur begrenzt hilfreich ist.
2.3 Selbstsperrendes Getriebe oder lastseitige Verriegelung
Eine Kugelumlaufspindel mit geringerer Steigung kann das Rückdrehmoment reduzieren, garantiert aber keine Selbsthemmung. Außerdem erhöht sie die Spindeldrehzahl bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit.
Eine trapezförmige Gewindespindel kann sich durch Selbsthemmung aufgrund ihres Steigungswinkels und der Reibung gegen Rückwärtsdrehen wehren. Dieses Verfahren eignet sich für einige Systeme mit langsamer Hubgeschwindigkeit, führt jedoch zu erhöhter Reibung, Verschleiß und Wärmeentwicklung. Siehe auch Selbsthemmendes Verhalten von Gewindespindeln vor dem Getriebewechsel.
Bei risikoreicheren Anlagen kann eine Stangenverriegelung, Schienenklemme, Sicherheitsmutter, Keilverriegelung oder ein mechanischer Riegel die Last nahe am Schlitten fixieren. Eine lastseitige Verriegelung kann die Maschine auch nach einem Riemen-, Kupplungs- oder Wellenbruch noch schützen.
2.4 Auswahltabelle für Anti-Tropf-Methoden
| Anwendungsbedingung | Praktischer Ausgangspunkt | Hauptbeschränkung |
|---|---|---|
| Standardmäßige industrielle Vertikalachse | Servobremse bei Stromausfall | Deckt nicht alle nachgelagerten Ausfälle ab |
| Hohe Nutzlast oder lange Haltezeit | Bremse plus Gegengewicht | Die Gegengewichtskraft kann variieren |
| Risiko eines Riemen- oder Kupplungsversagens | mechanische Verriegelung auf der Ladeseite | Erhöht die Kosten und den Installationsraum |
| Langsames Heben bei begrenzter Belastung | Eine selbstsichernde Gewindespindel könnte für die Konstruktion geeignet sein. | Geringere Effizienz und schnellerer Verschleiß |
| Personal darf unterhalb der Last eintreten. | Redundante mechanische Rückhaltesysteme | Erfordert eine Sicherheitsbewertung auf Maschinenebene. |
3. Wie berechne ich das Rückstellmoment der vertikalen linearen Achse?
Eine Drehmomentberechnung hilft Ingenieuren, die hängende Last mit der Bremskraft zu vergleichen. Bei einer direkt angetriebenen Kugelumlaufspindel berechnet man das Drehmoment, das die Axiallast an der Spindelwelle erzeugt.
Schritt 1: Berechnung der Axiallast
Bei einer vertikalen Achse ohne Gegengewicht beträgt die axiale Schwerkraftbelastung ungefähr:
F = m × g
Hier, F stellt die axiale Last in Newton dar., m stellt die gesamte bewegte Masse in Kilogramm dar, g entspricht ungefähr 9,81 m/s2.
Schritt 2: Berechnen Sie das Rückantriebsdrehmoment
Nutzen Sie die Steigung und den Wirkungsgrad der Kugelumlaufspindel, um das Rückdrehmoment der vertikalen Linearachse abzuschätzen:
Tb =(m × g × P × ηr) ÷ (2π)
- Tb: geschätztes Rückdrehmoment an der Schraubenwelle, in N·m
- m: Gesamte bewegte Masse in kg
- gGravitationsbeschleunigung, ungefähr 9,81 m/s2
- PSteigung der Kugelgewindespindel in Metern pro Umdrehung
- ηr: umgekehrte Effizienz der Schraube
Verwechseln Sie nicht den Wirkungsgrad im Rückwärtsgang mit dem Wirkungsgrad im Vorwärtsgang, der zur Berechnung des Motordrehmoments beim Heben verwendet wird. Bestätigen Sie nach Möglichkeit beide Werte mit dem Schraubenlieferanten.
Die von Roton gesammelten Herstellerformeln unterscheiden auch zwischen Vorwärts- und Rückwärtsantriebsmoment: Formel zur Angabe des Anzugsmoments von Schrauben.
Durchgerechnetes Beispiel
Betrachten wir eine vertikale Kugelgewindespindelachse mit:
- Bewegte Gesamtmasse: 45 kg
- Steigung der Kugelumlaufspindel: 5 mm bzw. 0,005 m/Umdrehung
- Geschätzter Wirkungsgrad der Rückwärtsumkehr: 0,80
Tb = (45 × 9,81 × 0,005 × 0,80) ÷ (2π) ≈ 0,28 N·m
Das Ergebnis bedeutet, dass die Schwerkraft etwa 0,28 N·m an der Schraubenwelle unter den genannten Annahmen. Es stellt nicht die endgültige Bremsleistung dar.
Schritt 3: Das Ergebnis in eine Bremsanforderung umwandeln
Als Nächstes muss die Last über Getriebe, Zahnriemen, Riemenscheibe oder Kupplung berücksichtigt werden. Dazu gehören die maximale Nutzlast, die Abweichung des Gegengewichts, der Bremsenverschleiß, die Temperatur, die Versorgungsspannung und die vom Bremsenhersteller geforderte Haltekraft.
Die Berechnung erfordert zudem eine separate Prüfung auf Beschleunigung und Notbremsung. Eine Haltebremse hält üblicherweise eine ruhende Last; ihre Energiekapazität reicht möglicherweise nicht aus, um eine sich schnell bewegende Achse wiederholt anzuhalten.
Oriental Motor bietet einen Kugelgewindemotor-Dimensionierungswerkzeug Das hilft Ingenieuren bei der Überprüfung von Drehmoment, Geschwindigkeit, Trägheit und Anforderungen an die elektromagnetische Bremse.
Überprüfen Sie die Leitlast und den Nutzlastversatz separat.
Die Berechnung des Schraubendrehmoments berücksichtigt nicht alle Belastungen des Schlittens. Ein Werkzeug, das nicht in der Führungsebene montiert ist, erzeugt ein Nick-, Gier- oder Rollmoment. Beachten Sie die Hinweise in der Anleitung. Momentenlast aus einer versetzten Nutzlast berechnen für diesen Teil der Konstruktion.
Die Kugelumlaufspindel liefert die axiale Antriebskraft, während die Linearführungen Radial- und Momentenkräfte aufnehmen. wie Kugelgewindetriebe und Linearführungen die Systemlast aufteilen vor der Auswahl der endgültigen Führeranordnung.
Die verfügbaren Schraubengrößen, Steigungen und Mutterntypen finden Sie unter IMTEK Kugelgewindetrieb-Sortiment.
4. Warum kann sich eine gebremste vertikale Achse trotzdem bewegen?
Eine Bremse kann über ausreichend statisches Haltemoment verfügen und dennoch einen kurzen Fall ermöglichen. Bremszeitpunkt, internes Spiel, Kupplungsnachgiebigkeit und Bremsposition bestimmen, wie weit sich der Schlitten bewegt, bevor das System ihn hält.
4.1 Bremsbetätigungssequenz
Die Steuerung sollte das Servodrehmoment so lange aktiv halten, bis die Bremse ihre volle Haltekraft entwickelt hat. Eine praktische Einrücksequenz umfasst folgende Schritte:
- Die Achse wird unter Servosteuerung verlangsamt.
- Die Achse mit Hilfe des Motordrehmoments auf Nullgeschwindigkeit halten.
- Befehl zum Einrücken der Bremse.
- Warten Sie die angegebene Einsatzzeit ab.
- Bestätigen Sie das Bremssignal, wenn eine Rückmeldung vorliegt.
- Das Motordrehmoment wird nach dem Halten der Last durch die Bremse entfernt.
4.2 Bremslösesequenz
Die Freigabesequenz sollte verhindern, dass sich die Last bewegt, bevor der Motor die Kontrolle übernimmt:
- Servoantrieb aktivieren.
- Erzeugen Sie genügend Motordrehmoment, um die Last zu tragen.
- Den Befehl zum Lösen der Bremse geben.
- Bremse lösen, sobald eine Rückmeldung erfolgt.
- Erlauben Sie die Bewegung der Achse.
4.3 Mechanische Ursachen eines kurzen Falles
| Ursache | Was geschieht | Korrekturmaßnahme |
|---|---|---|
| Bremsspielraum | Die Welle dreht sich leicht, bevor die Reibflächen halten. | Bremsenspezifikationen und Gewindesteigung prüfen |
| Riemen- oder Kupplungskonformität | Gespeicherte elastische Energie wird nach Änderungen des Motordrehmoments freigesetzt. | Die Steifigkeit erhöhen oder das Schloss näher an die Last bringen. |
| Falsche Bremsposition | Eine nachgelagerte Komponente kann sich bewegen, obwohl die Motorwelle blockiert bleibt. | Fügen Sie eine Ladeseitensicherung hinzu. |
| Bremsenverschleiß oder Verschmutzung | Öl, Hitze oder Verschleiß verringern die Haltekraft | Bremse prüfen, testen und gegebenenfalls austauschen |
| Führungsfehler | Zusätzliche Reibung verschleiert die eigentliche Rücktriebstendenz. | Korrigieren Sie die Ausrichtung und testen Sie die Achse erneut. |
Die Vorspannung der Linearführung verbessert die Steifigkeit und verringert das Spiel. Sie bietet jedoch keine kontrollierte oder ausfallsichere Absturzsicherung.
5. Wie kann ich die vollständige vertikale Achse validieren?
Ingenieure sollten Motor, Bremse, Getriebe, Linearführungen, Nutzlast und Steuerungslogik als ein System validieren. Eine Überprüfung auf Komponentenebene kann nicht aufzeigen, was passiert, wenn ein Riemen reißt, eine Bremse zu spät greift oder sich die Nutzlast ändert.
5.1 Sammeln der erforderlichen Konstruktionsdaten
| Design-Eingaben | Zu bestätigende Informationen |
|---|---|
| Bewegte Masse | Schlitten, Werkzeuge, Werkstück, Kabel, Halterungen und Zubehör |
| Kugelgewindetrieb | Durchmesser, Vorschub, Rückwärtswirkungsgrad, Stützmethode und Geschwindigkeit |
| Motor und Bremse | Nenndrehmoment, Spitzendrehmoment, Bremsdrehmoment, Verzögerungszeit und Betriebsgrenzen |
| Übertragung | Kupplung, Riemen, Getriebe, Riemenscheibenübersetzung, Steifigkeit und Ausfallpfad |
| Linearführungen | Schienenabstand, Blockabstand, Vorspannung, Ausrichtung und Ausrichtung |
| Nutzlastgeometrie | Schwerpunkt und Versatz von der Führungsebene |
| Gegengewicht | Kraftbereich, Druck, Hub und Kraftvariation |
| Fehlerzustände | Stromausfall, Notbremsung, Bremsversagen und Getriebeschaden |
5.2 Checkliste für die Inbetriebnahme der Vertikalachse
- Testen Sie die Achse mit der maximal vorgesehenen bewegten Masse.
- Testen Sie in der oberen, mittleren und unteren Schlagposition.
- Überprüfen Sie das normale Herunterfahrverhalten.
- Not-Aus-Verhalten prüfen.
- Notieren Sie die maximale Abwärtsbewegung, bevor die Bremse greift.
- Vergewissern Sie sich, dass die Bremse eingreift, bevor das Servodrehmoment verschwindet.
- Vor dem Lösen der Bremse sicherstellen, dass das Motordrehmoment die Last trägt.
- Messen Sie die Gegenkraft über den gesamten Hub.
- Wiederholen Sie den Test nach mehreren Bremszyklen.
- Überprüfen Sie die Ausfallwege von Kupplungen, Riemen, Schrauben und Wellen.
- Den Zugang unterhalb einer nicht abgestützten Last verhindern.
- Bremsenprüfung und Austauschintervalle dokumentieren.
Planen Sie den Test so, dass unerwartete Bewegungen weder Werkzeuge beschädigen noch Personal gefährden können. Verwenden Sie während der frühen Inbetriebnahmephase temporäre mechanische Stützen, wenn die Risikobewertung dies erfordert.
Häufig gestellte Fragen
Kann ein Servomotor eine vertikale Achse ohne Bremse halten?
Ein Servomotor kann die Last halten, solange Strom und Antriebssteuerung verfügbar sind. Er kann jedoch nach einem vollständigen Stromausfall, einem Antriebsausfall oder einem Verkabelungsfehler keine ausfallsichere Lasthaltung gewährleisten.
Verringert eine kleinere Steigung der Kugelumlaufspindel das Rückdrehen?
Eine geringere Steigung verringert im Allgemeinen das Drehmoment, das die Schwerkraft auf die Schraubenwelle ausübt. Sie erhöht jedoch auch die Drehzahl der Schraube bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit.
Kann die Vorspannung einer Linearführung das Absinken einer vertikalen Achse verhindern?
Nein. Die Vorspannung verbessert die Führungssteifigkeit und verringert das innere Spiel, erzeugt aber keine kontrollierte Absturzsicherung.
Ist eine Motorbremse für jede vertikale Achse ausreichend?
Nein. Eine Motorbremse kann zwar normale statische Haltekräfte gewährleisten, schützt aber nicht vor jedem Riemen-, Kupplungs- oder Wellenausfall. Systeme mit höherem Risiko benötigen möglicherweise eine lastseitige Verriegelung.
Soll eine Haltebremse die bewegliche Achse stoppen?
Eine Haltebremse hält normalerweise eine ruhende Last. Der Servoantrieb sollte die routinemäßige Verzögerung durchführen, es sei denn, der Bremsenhersteller genehmigt ausdrücklich dynamisches Bremsen.
Wie kann ich die Rückwärtsbewegung der vertikalen Linearachse reduzieren?
Reduzieren Sie die resultierende Schwerkraftlast, wählen Sie ein ausreichendes Bremsmoment, überprüfen Sie den Bremszeitpunkt und fügen Sie einen Gegengewichtsausgleich oder eine lastseitige Sperre hinzu, wenn die Ausfallgefahr dies erfordert.
Abschluss
Die Rückwärtsbewegung einer vertikalen Linearachse erfordert eine Systemlösung. Ingenieure müssen die bewegte Masse, die Steigung der Spindel, den Wirkungsgrad der Rückwärtsbewegung, das Bremsmoment, den Bremszeitpunkt, die Gegengewichtskraft, die Steifigkeit des Getriebes, die Belastung der Führung und mögliche mechanische Ausfallwege berücksichtigen.
Eine stromlose Bremse bietet oft die erste Schutzebene. Bei Maschinen mit hoher Last und sicherheitskritischen Anwendungen können jedoch zusätzlich ein Gegengewicht, eine lastseitige Verriegelung oder eine redundante Rückhalteeinrichtung erforderlich sein.
Die endgültige Konstruktion muss der maximalen Last bei realistischen Stromausfall- und Notstopptests standhalten. Sie muss auch dann noch wirksam sein, wenn der Motor kein Drehmoment mehr erzeugt.